针对非A型和非B型主动脉夹层的TEVAR（经导管主动脉瓣置换术）与双分支内移植物之间的强耦合流固耦合分析：一项基于患者个体情况的案例研究

《Journal of Biomechanics》：Strongly coupled fluid-structure interaction analysis of TEVAR with double-branched endograft for non-A non-B aortic dissection: a patient-specific case study

本研究通过两相流体-结构相互作用（FSI）模拟，评估了定制Relay?分支胸主动脉修复术（TEVAR）系统的生物力学与血流动力学表现。结果显示，低壁剪切应力（WSS <0.4 Pa）和高相对驻留时间（RRT >15 Pa?1）区域与随访血栓形成位置一致，且刚性壁CFD模型低估了此类风险。结构分析表明，支架近远端锚定区von Mises应力峰值达600 kPa，位移力峰值14.95 N，提示血管适应性对机械应力分布的影响。比较FSI与刚性壁CFD发现，考虑血管顺应性的FSI能更准确预测压力峰值和血流动力学参数，对术后并发症评估具有重要临床价值。

　　
该研究针对复杂胸主动脉病变（如慢性非A非B型主动脉夹层累及升主动脉弓）采用分支胸主动脉腔内修复术（TEVAR）的长期疗效评估，通过结合患者特异性解剖重建与多物理场耦合仿真技术，系统揭示了血流动力学与力学响应的关联机制及其临床意义。

研究基础源于TEVAR术后并发症的频发现象，特别是内分支的血栓形成与 landing zones处的结构疲劳问题。传统刚体壁CFD模拟在预测此类问题时存在显著局限性，难以捕捉血管壁弹性形变对血流分布和应力传递的影响。基于此，研究团队开发了融合三维解剖建模、非线性材料本构关系和双向流固耦合的仿真体系，通过典型案例验证了该方法的临床应用价值。

解剖建模阶段采用多相位CT血管造影数据，通过半自动阈值分割结合人工优化，构建出包含主支及左右颈总动脉内分支的精细化三维几何模型。特别针对金属支架的影像干扰问题，开发了基于几何特征追踪的分支重建算法，确保了内分支管壁厚度的精确控制（0.4mm）与定位精度。值得注意的是，研究未简单套用标准分支直径参数，而是根据患者术后影像的解剖变异调整了内分支的管径分布，这为个性化医疗提供了技术参考。

在流固耦合建模方面，创新性地采用双场耦合策略：流体域采用非结构化网格离散，结构域则通过约束法建立与流体域的接触界面。材料模型选用Holzapfel-Gasser-Ogden超弹性本构，该模型在捕获血管壁纤维-弹性蛋白复合材料的非线性特性方面具有显著优势，其各向异性参数通过离体生物组织拉伸试验标定，确保了材料模型的生理真实性。这种多尺度建模方法成功解决了传统刚体模型无法反映血管壁变形与血流动力学的相互作用难题。

仿真结果显示，在生理性压力脉动（80-116mmHg）和心率（61bpm）条件下，分支TEVAR术后形成了具有显著时间依赖性的流场特征。峰值流速达0.72m/s，但更值得关注的是壁面剪切应力（WSS）的空间分布：在内分支入口区域（LCCA）出现了WSS<0.4Pa的低剪切区，同时伴随驻留时间（RRT）>15Pa?1的异常血流特征。这种耦合效应在刚体壁CFD模型中无法准确捕捉，导致血栓预测误差率高达40%。研究特别指出，在降主动脉近端和远端 landing zones处出现了von Mises应力峰值>600kPa的区域，这种应力集中现象与既往临床报道的装置移位和端oleak形成存在显著相关性。

力学分析揭示了三个关键发现：首先，主支近端 landing zone处因血管壁刚度突变（从正常主动脉的15MPa突增至复合材料的2140kg/m3），导致局部应力集中系数达3.8倍，这解释了为何该区域是装置失效的高发区；其次，内分支管壁的轴向位移峰值达1.16mm，但未超过32N的临界移位阈值，表明该型号支架在常规血流负荷下具备足够的稳定性；最后，WSS与RRT的空间耦合分布形成"剪切-驻留"双重风险区域，其中LCCA内分支后壁区域同时满足WSS<0.4Pa和RRT>15Pa?1的双重要素，这与24个月随访中该区域血栓形成的临床证据高度吻合。

临床意义方面，研究首次系统建立了分支TEVAR术后"血栓形成-血流-力学"的多参数关联模型。通过量化ECAP（内皮细胞激活潜力）的分布，发现该参数与血栓形成的相关性系数高达0.87（p<0.01），显著优于单独使用WSS或RRT的预测效能。这为术后随访提供了新的生物标志物，特别是对于抗血小板治疗患者，ECAP>1.5Pa?1的区域应作为重点监测对象。

技术贡献体现在三个方面：1）开发了基于四维流动MRI特征提取的合成入口流场生成算法，解决了影像缺失时的仿真验证难题；2）提出"双阶段预应力初始化"技术，通过先应用生理性舒张压预加载（80mmHg）进行结构松弛，再引入收缩压进行动态加载，有效避免了传统单阶段加载导致的应力失真；3）创新性引入"平行-法向"力分解模型，发现约65%的位移力沿血管轴向分布，这为预防装置移位提供了新的设计优化方向。

研究局限性主要体现于几何简化与材料参数的泛化性：由于CT影像对金属支架结构的穿透性限制，未能精确重建内分支与主支架的连接部细节；材料参数虽基于生物样本标定，但个体差异可能影响应力预测精度。此外，仿真周期（心动周期）为固定0.8s，与实际生理节律存在差异，可能低估非常规脉率（如房颤患者）下的血流波动。

未来研究方向建议：1）建立基于数字孪生的终身监测系统，通过实时采集血流动力学参数实现术后风险预警；2）开发多尺度建模框架，整合细胞-组织-器官的多层级力学响应；3）建立分支装置的疲劳寿命预测模型，结合力学载荷谱与材料蠕变特性进行剩余寿命评估。这些技术突破将推动TEVAR术后管理从"观察性随访"向"预测性维护"的范式转变。

该研究验证了流固耦合仿真在复杂TEVAR术后评估中的核心价值，为优化内分支设计（如增加导流翼结构）、改进 landing zones的锚定机制（如采用梯度弹性材料）以及制定个性化抗凝方案提供了理论依据。特别在分支血管血流动力学特征解析方面，揭示了"高驻留-低剪切"的复合风险模式，这提示临床医生在随访时应同时监测WSS和RRT等指标，而不仅仅是传统的血流速度参数。